JP2006014364A - 撮像装置および撮像装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＣＤ等の撮像素子より出力される映像信号の基準レベルを基準値に基づいて設定する撮像装置および撮像装置の制御方法を提供する。
【解決手段】 ＣＣＤより出力信号をアナログデジタル変換したデジタル映像信号が出力され、前記デジタル映像信号の標準レベル（黒レベル）を基準信号（オプティカルブラック）の積算平均化値に基づいて設定する際に、基準信号の積算開始点および積算数を指定可能として、１フィールド期間にＣＣＤより複数回の読み出しを行った際に出力されるデジタル映像信号の１フィールド期間において、積算開始位置および積算数を指定することにより、１フィールド期間に複数の映像信号が存在する映像信号が入力されても信号処理系統を一系統準備するだけで映像信号の基準レベルの設定が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は撮像装置に関し、特にＣＣＤ等の撮像素子を備えたビデオカメラ等の撮像装置に関する。

従来、ＣＣＤ等の撮像素子を備えたビデオカメラでは、図６に示すように、被写体の撮像を行うＣＣＤ１と、ＣＣＤ１から出力される撮像信号より相関二重サンプリング法を用いてノイズ成分を除去すると共に、所定の利得で増幅して出力する相関二重サンプリング／自動利得制御（ＣＤＳ／ＡＧＣ）部２と、ＣＤＳ／ＡＧＣ部２から出力されるアナログ映像信号をデジタル映像信号にアナログデジタル変換するアナログデジタル（ＡＤ）変換器３と、ＡＤ変換器３から出力されるデジタル映像信号に所定の信号処理を施して出力するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）４と、ＣＣＤ１への電源および駆動信号を供給する駆動回路（ＴＧ）５とから構成されていた。

なお、ＤＳＰ４は後述するようにＡＤ変換器３より出力されるデジタル映像信号の基準レベルを基準信号に基づいて設定する基準値設定部、具体的にはデジタル映像信号の黒レベルをオプティカルブラック（ＯＢ）データに基づいてクランプするデジタルクランプ回路を含んでいる。

上述したＣＣＤ１は、図７に示すように被写体からの光をレンズ等を通して受光し対応する映像信号を発生する受光部１００と、ＣＣＤ１の一部をアルミ板等で遮光して外部からの光が受光しないように構成された非受光部１０１とを有している。非受光部１０１は水平黒基準検出素子ＨＯＢから構成されており、ＣＣＤ１からの読出しの際には、受光部１００から出力された信号は映像信号として後段回路にて所定の信号処理を施され、非受光部１０１の水平黒基準検出素子ＨＯＢから読出された全てのデータ（水平オプティカルブラック（水平ＯＢ））は、ＤＳＰ４の水平垂直ＯＢ積算平均値処理部４１にて積算され、この積算値の平均値が演算で求められた後、この平均値を垂直方向にさらに積算し、さらにその平均値を演算して得られた値をＯＢデータとして出力される。この場合、ＯＢデータは固定した位置に存在しており、積算および平均値はテレビジョン標準信号方式に準拠した垂直同期期間（ＶＤ）、水平同期期間（ＨＤ）を用いるので、積算ライン数は固定値、例えば、以下に説明するように１２８ラインとなる。

具体的には図８に示すように水平方向に関しては、水平同期信号（ＨＤ）の立ち上がりからＮ画素後、Ｎｈ(例えばＮｈ＝１６)画素分積算し平均値を求める。次に、この水平の積算値を求め始めるスタートのライン数は、垂直同期信号（ＶＤ）の立上がりからＹライン後に水平積算平均値を求め、そこからＮｖ（例えばＮｖ＝１２８）ライン後垂直積算平均値を求める。
これは通常ＣＣＤ１を駆動させるＴＧ５の仕様によりＨＤの立ち上がりから何クロック後に水平のＯＢデータが始まり、ＶＤの立ち上がりから何ＨＤ後に垂直のＯＢデータが始まると決められているためで、従って、ＴＧ５の仕様に基づいてＤＳＰ４のＯＢ積算平均演算を決めることが出来る。

ＯＢデータが存在する位置は上述したようにＴＧ５の仕様により固定であるので、水平積算数は水平ＯＢ画素より少なく、かつ、２の乗数となる画素分を選択し、水平積算開始位置も図７に示すようになるべくＯＢデータが存在する中心を積算できるようにライン数を選択することが望ましい。
垂直の積算に関しては上述したように例えば、１２８ライン分積算する。これは、１２８の次の２乗値は２５６となり、ＮＴＳＣ方式の標準テレビジョン信号で定められたライン数を越えてしまうからで、従って、１２８が最大ライン数となる。垂直積算開始位置も図８に示すようにＶＤの立ち上がりから数ライン分後として、なるべくＯＢデータが存在する中心を積算できるようにライン数を選択することが望ましい。

ここで、ＮｈやＮｖは２の乗数が好ましい。その理由としては、デジタル処理に関しての割算は、２の乗数値であれば下位ビットを捨てることで容易に実現できるためであり、例えば、水平のＯＢ画素が１６画素以上３２画素以下であれば１６画素分積算した後に下位４ビット削除すれば求められる。また、３２画素以上あれば３２画素分積算し５ビットシフトすることでも実現可能である。

上述したＯＢデータとは画像を表示する際に用いられる光学的な黒の基準を示す黒基準信号（オプティカルブラック）であり、ＣＣＤ１よりＡＤ変換器３を介して出力されるデジタル映像信号の基準レベルをこの黒基準信号に基づいてデジタルクランプ回路（基準設定部）にて設定することにより、映像信号の基準レベルを安定させることができる。

つまり、図６に示したＤＳＰ４ではＡＤ変換器３から出力される信号のうち水平ＯＢに関するデータについて、これを演算部４１（水平垂直ＯＢ積算平均値演算部）にて水平方向および垂直方向に積算して平均値を演算したＯＢデータを求め、演算部４２にてデジタル映像信号とＯＢデータとの差分を求めて、この差分値が零に近づくような信号処理を行うことによりＯＢデータに関してのデジタルクランプ処理を実行する。つまり、ＡＤ変換器３から出力されたデジタル映像信号データの基準レベル（黒レベル）がＯＢデータに基づいて設定される。

ところで最近、１フィールド期間（ＶＤ）内に複数（ｎ）回ＣＣＤの読出しを実行し、１フィールド期間（ＶＤ）に複数の画像を撮像するいわゆる高速撮像モードを備えたビデオカメラも開発され、商品化されている。このような高速撮像モードにおいては上述したように水平ＯＢをさらに垂直方向に積算し、平均値を演算して得たＯＢデータを使用することにより、各画像の黒基準調整の精度をより向上させることができる。

ＤＳＰ４の水平垂直ＯＢ積算平均値処理部４１にて得られたＯＢデータは制御部９のＣＰＵ９１によって読み取られると共に、そのデータが所定の範囲内になるように処理した後、デジタルアナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）９２に供給され、デジタル信号に対応するアナログ信号を発生させてＣＤＳ／ＡＧＣ２におけるオフセット電圧を調整する。

ＣＤＳ／ＡＧＣ２ではこの調整されたオフセット電圧を基準としてそれ以降ＣＣＤ１から入力されるＯＢデータに関する演算を実行する。つまり、オフセット電圧の調整処理はＣＤＳ／ＡＧＣ２、ＡＤ３、ＤＳＰ４、および制御部９におけるループ処理により繰り返し実行され、ＤＳＰ４に入力されるＯＢデータが常に所定の範囲の値となるように制御される。

しかしながら、上述したような従来のデジタルクランプ処理においては、現在の垂直同期信号から次の垂直同期信号が到来するまでの１フィールド期間（ＶＤ）にＣＣＤ１より複数回の読出しを行い、１ＶＤにｎ個の画像データ（ｎ画面）を有する映像信号データがＤＳＰ４に入力された場合、そのまま信号処理を実行すると、１ＶＤに１個の画像データにおいてＯＢデータが存在する期間と、１ＶＤにｎ個の画像データが存在する期間とが重なり、また、ノイズ信号が存在する期間となることもあり、本来のデジタルクランプ処理が実行できないことになり、また、予め１ＶＤにｎ個の画像が存在するデータを処理する必要がある場合は、平均積算ライン数が固定であれば、上述したｎに応じたクランプ処理を用意しておけばよいが、ｎが大きくなるとクランプ処理に使用できる処理時間が短く
なるため、高速度に処理することができるＣＰＵを使用することが必要となり、高速度に処理が可能なＣＰＵでは発熱・消費電力が増大するため、冷却が必要で小型軽量化を実現するための高密度実装が困難となったり、ビデオカメラのバッテリ駆動可能時間が短くなったり、さらに、ＣＰＵを含む部品のコストが増大するという問題点を有していた。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、１ＶＤに複数（ｎ）の画像が存在する映像信号よりＯＢデータ（オプティカルブラック基準信号の積算平均値）を求める際の積算開始位置（積算開始点）と積算ライン数（積算数）とを指定することによりオプティカルブラック信号を正確に積算蓄積できる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）及び２）に記載手段よりなる。
すなわち、
１）被写体からの光を受光して映像信号を出力する受光領域および被写体からの光を受光せずに基準信号を出力する非受光領域を有する撮像素子と、
前記映像信号をアナログデジタル変換してデジタル映像信号を出力するアナログデジタル変換手段と、
前記基準信号を積算平均するための積算開始点および積算数を指定する制御手段と、
前記積算開始点および前記積算数に基づいて前記基準信号を積算平均して積算平均値を出力する演算処理部と、
前記デジタル映像信号の基準レベルを前記積算平均値に基づいて設定する基準設定部とからなる撮像装置。
２）被写体からの光を受光する撮像素子の受光領域より映像信号を出力し、
被写体からの光を受光しない撮像素子の非受光領域より基準信号を出力し、
前記映像信号をアナログデジタル変換してデジタル映像信号を出力し、
前記基準信号を積算平均するための積算開始点および積算数を指定し、
前記積算開始点および前記積算数に基づいて前記基準信号を積算平均して積算平均値を出力し、
前記デジタル映像信号の基準レベルを前記積算平均値に基づいて設定することを特徴とする撮像装置の制御方法。

本発明の撮像装置および撮像装置の制御方法では、積算開始位置と積算ライン数とを指定することにより、１フィールド期間にｎ個の映像データを含むデジタル映像信号に関してもデジタルクランプデータを正確に得ることができるという効果を奏する。１フィールド期間に１回の読み出しにより、１フィールド期間に１個の映像データを含み、垂直同期信号に同期した信号（通常の映像信号）であっても、積算開始位置との積算ライン数とを指定することにより対応することが可能である。
また、１フィールド期間内に複数の映像信号が存在するような形式のデジタル映像信号データのデジタルクランプ処理を行うデジタルクランプ回路を単一の構成にて得ることが可能で、また、高速度な処理速度を有する基幹部品を使用することなく、デジタルクランプ処理を実行でき、発熱、消費電力、コストの増大を招くことがないという効果を奏する。

図１は本発明の実施例を示す図である。従来技術と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
ＡＤ変換器３から出力されたデジタル映像信号はＤＳＰ４４に供給され、一方は水平ＯＢ積算平均部４１０に入力されるとともに、他方は演算部４２０の一方の入力端子に供給される。水平ＯＢ積算平均部４１０は制御部９のＣＰＵ９１からの演算情報の指定に基づき水平ＯＢを積算し平均化の演算を実行する。つまり水平ＯＢデータがＣＣＤ１から読み出される期間にＡＤ変換器３より出力される水平ＯＢデータを積算して平均化の演算処理を実行して水平ＯＢデータの積算平均値を得る。

例えば、図２に示すように現在の垂直同期信号から次の垂直同期信号が到来するまでの期間である１フィールド期間（ＶＤ）に４個（ｎ＝４）の映像データが存在する場合を例にとって説明すると、積算開始位置（積算開始点）および積算ライン数（積算数）はＣＰＵ９１より演算情報として水平ＯＢ積算演算部４１０に供給され、これらの演算情報に従って演算して得られた水平ＯＢの積算平均値が垂直ＯＢ積算演算部４３０に供給され、水平ＯＢ積算演算部４１０と同様にＣＰＵ９１より積算開始位置（積算開始点）および積算ライン数（積算数）が垂直ＯＢ積算演算部４３０に演算情報として供給され、これらに基づいて演算が実行されて水平ＯＢの積算平均値を垂直方向に積算した平均した値であるＯＢデータが得られ、格納部４５０に蓄積される。

前述したように、積算開始位置や積算ライン数はまずそれを実現させるＴＧ５の仕様で決まるので、この仕様に基づき積算開始位置や積算ライン数を決める。決めるポイントは積算部分がなるべくデータの中心になるように、積算ライン数は２の乗数となるようにする。例えば、上述したＴＧ５では、ＶＤの立上がりから２２Ｈ後にデータが始まり、６８Ｈ後にデータが終わるものとすると、１映像は４６Ｈであり、よって図３に示すように積算ライン数は３２Ｈと決めることが出来る。積算開始位置は積算範囲が中心に来るように４６−３２＝１４の半分の７Ｈ、映像開始位置からスタートさせる。よってスタート位置は２２＋７＝２９Ｈ後となる。

次の１ＶＤにおいて、格納部４５０に蓄積されたＯＢデータは演算回路４１０の他方の入力端子に供給され、ＡＤ変換器３より入力されたデジタル映像信号より減算されて差分信号が出力される。この差分が零に近づくような処理を演算実行して、この結果としてデジタル映像信号の基準レベル（黒レベル）がＯＢデータに基づいて設定される。また、次の１ＶＤでは新たなＯＢでデータが積算平均化の演算で求められて、格納部４５０に蓄積された前のＯＢデータと置換され、更新されて蓄積される。

ＣＣＤ１より出力される映像信号データの基準レベルをこの黒基準信号に基づいて基準設定部（デジタルクランプ回路）にて設定することにより、映像信号の基準レベルを安定させることができる。具体的にはデジタルクランプ回路にて映像信号にデジタルクランプ処理を行い、映像信号データの基準レベル（黒レベル）をＯＢデータに基づいて設定する信号処理が行われる。つまり、図１に示したＤＳＰ４４ではＡＤ変換器３から出力される信号のうち水平ＯＢに関するデータについて、これを水平ＯＢ積算平均値演算部４１０および垂直ＯＢ積算平均値演算部４３０にて水平および垂直方向に積算して平均値（ＯＢデータ）を求め、格納部４５０に蓄積して、演算部４２０にてデジタル映像信号とＯＢデータとの差分を求めて、この差分値が零に近づくような信号処理を行うことによりＯＢデータに関してのクランプ処理を実行する。ＤＳＰ４４は入力されるデジタル映像信号の基準レベル（黒レベル）を基準値で設定するデジタルクランプ回路を構成している。

ＤＳＰ４４にて得られたＨＯＢ平均積算値データは制御部９のＣＰＵ９１によって読取られると共に、そのデータが所定の範囲内になるように処理された後、デジタルアナログ変換器（ＤＡ変換器）９２に供給され、デジタル信号に対応するアナログ信号を発生させてＣＤＳ／ＡＧＣ２におけるオフセット電圧を調整する。ＣＤＳ／ＡＧＣ２ではこの調整されたオフセット電圧を基準としてそれ以降ＣＣＤ１から入力されるＯＢデータに関する演算を実行する。つまり、オフセット電圧の調整処理はＣＤＳ／ＡＧＣ２、ＡＤ３、ＤＳＰ４、および制御部９におけるループ処理により繰り返し実行され、ＤＳＰ４４に入力されるＯＢデータが常に所定の範囲の値となるように制御される。

次に、上述した積算開始位置の指定について具体的に説明する。ＤＳＰ４４はデジタルカウンタを有しており（図１に図示せず）、このデジタルカウンタは図２に示すように垂直同期信号の立上りエッジでリセットされ、カウントを開始する。制御部９のＣＰＵ９１よりの積算開始位置の指定には、このデジタルカウンタのカウント値を使用する。上記の説明では立上りエッジでリセットされるカウンタの例を説明したが、立下がりエッジでリセットされるカウンタを使用することも可能であり、また、他の形式のデジタルカウンタを使用することも可能である。

また、図３に示すように積算ライン数を２の乗数としておくことにより、積算値の平均値を求める際もＣＰＵ９１より指定するビットシフトを実行することで、演算結果が得られる。１フィールドは通常２５２ライン以下であるので、積算ライン数は１２８が上限となる。これは、１２８の次の２乗値は２５６となり、ＮＴＳＣ方式の標準テレビジョン信号で定められたライン数を越えてしまうからで、従って、１２８が最大ライン数となる。

平均値を求める時に２の乗数を選べば簡単にビットシフトで実現できる。シフト量１ということは２で割るということであり、シフト量２というのは２2である４で割るということになる。すなわちシフト量ｎとは２nで割るということである。垂直方向に関してはＮＴＳＣでは２５２ラインしかないので、積算しシフトで平均が求められる上限は１２８となる。
１ＶＤ期間内に複数個の映像期間が存在する場合は、その映像期間のライン数によりシフト量が決められる。例えば映像期間ライン数が８０Ｈであれば加算ライン数６４、シフト量６となり、映像期間ライン数が６３Ｈであれば加算ライン数３２、シフト量５と決めることが出来る。

このように、積算開始位置と積算ライン数とをＣＰＵ９１より指定することにより、１ＶＤにｎ個の映像データを含むデジタル映像信号に関してもデジタルクランプデータを正確に得ることができる。また、１ＶＤに１回の読み出しにより、１ＶＤに１個の映像データを含み、垂直同期信号に同期した信号（通常の映像信号）であっても、積算開始位置との積算ライン数とをＣＰＵ９１より指定することにより対応することが可能である。

次に本発明に関連する撮像装置の１例について説明する。図４は本発明に関連する撮像装置の１例の動作を示す図である。デジタルカウンタ（図示せず）が、１ＶＤにｎ個のデジタル映像信号の垂直同期信号、つまり、図４に示した例では、１ＶＤに４回（ｎ＝４）到来する垂直同期信号の立上りエッジにてリセットされるように構成したものである。図２に示した場合に比べてデジタルカウンタがデジタル映像信号毎にリセットされる。このように、デジタルカウンタは１ＶＤにｎ回リセットされる。つまり、図４に示した場合は、ｎ＝４の場合であるので、ＯＢデータが期間Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤのそれぞれの期間、合計４回得られるので、期間ＡからＤの各期間毎に得られたＯＢデータをさらに積算して平均化した値をＯＢデータとして格納部４５０に蓄積して、次の１ＶＤ内のデジタル映像信号との差分値に基づいて制御を行うことにより、つまり、１ＶＤに到来する全てのＯＢデータをそれぞれ積算平均化して積算平均値（第１の積算平均値）を得た後、これをさらに積算平均して得た積算平均値（第２の積算平均値＝基準値）に基づいて、積算平均値（第２の積算平均値）が得られた１ＶＤ期間の次の１ＶＤ期間のデジタル映像信号の基準レベル（黒レベル）をデジタルクランプ処理にて設定することによりカウント値の精度がさらに向上してクランプ精度もさらに向上する。

なお、１ＶＤに到来する期間Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ各期間のＯＢデータを積算平均する例を説明したが、例えば、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＡおよびＤ、Ａ、Ｂ、およびＣ、ＢおよびＣ、ＢおよびＤ、Ｂ、Ｃ、およびＤ、ＣおよびＤ等の一部のＯＢデータの複数を積算平均した積算平均値を基準値として、この基準値に基づいてデジタル映像信号の基準レベル（黒レベル）を設定するデジタルクランプ処理を行うことも可能である。

高速撮像した映像信号のように１ＶＤにＣＣＤ１よりｎ回読出しが実行され、ｎ個の映像信号が含まれている信号のデジタルクランプ処理をする場合においてもＣＰＵ９１よりｎに対応した積算開始位置および積算ライン数の指定をすることにより適切なデジタルクランプ処理が可能となり、また積算ライン数を２の乗数に設定することにより、平均化するための演算処理をビットシフト動作で実現できるので、処理の簡略化が可能となる。

次に本発明に関連する撮像装置の他の例について説明する。図５は本発明に関連する撮像装置の他の例の動作を示す図である。図４に示した例では、１ＶＤに４回（ｎ＝４）画像が到来する例を説明したが、例えば、図５に示すように１ＨＤに２回、１ＶＤに２回画像が到来する場合にも本発明は適用可能である。この場合は、図５に示したａ、ｂ、ｃ、ｄの各部分のＯＢデータをそれぞれ水平方向に積算して平均しさらに垂直方向に積算して平均化して得られたａ、ｂ、ｃ、ｄの各部分積算平均値をさらにそれぞれ積算して平均した積算平均値をＯＢデータとして格納部４５０に蓄積して、次の１ＶＤ内のデジタル映像信号との差分値に基づいて制御を行うことも可能である。

なお、期間ａ、ｂ、ｃ、およびｄ各期間のＯＢデータを積算平均する例を説明したが、例えば、ａおよびｂ、ａおよびｃ、ａおよびｄ、ａ、ｂ、およびｃ、ｂおよびｃ、ｂおよびｄ、ｂ、ｃ、およびｄ、ｃおよびｄ等の一部のＯＢデータの複数を積算平均した積算平均値を基準値として、この基準値に基づいてデジタル映像信号の基準レベル（黒レベル）を設定するデジタルクランプ処理を行うことも可能である。

高速撮像した映像信号のように１ＨＤにＣＣＤ１よりｎ回読出しが実行され、１ＶＤにＣＣＤ１よりｍ回読出しが実行されｎ×ｍ個の映像信号が含まれている信号のデジタルクランプ処理をする場合においてもＣＰＵ９１よりｎに対応した積算開始位置および積算ライン数の指定をすることにより適切なデジタルクランプ処理が可能となり、また積算ライン数を２の乗数に設定することにより、平均化するための演算処理をビットシフト動作で実現できるので、処理の簡略化が可能となる。

図１は本発明の実施例を示す図である。 図２は図１に示した撮像装置の動作を説明する図である。 図３は垂直積算数とシフト量との関係を示す図である。 図４は本発明に関連する撮像装置の１例の動作を示す図である。 図５は本発明に関連する撮像装置の１例の動作を示す図である。 図６は従来の撮像装置示す図である。 図７はＣＣＤの構成を示す図である。 図８は従来の撮像装置の動作を示す図である。

符号の説明

１…ＣＣＤ、
２…ＣＤＳ／ＡＧＣ、
３…ＡＤ変換器、
４、４４…ＤＳＰ、
４１…水平垂直ＯＢ積算平均値演算部、
４２、４２０…演算部、
４３、４６０…信号処理部、
４１０…水平ＯＢ積算平均値演算部、
４３０…垂直ＯＢ積算平均値演算部、
４５０…格納部、
９…制御部、
９１…ＣＰＵ
９２…ＤＡ変換器

Claims (2)

1. 被写体からの光を受光して映像信号を出力する受光領域および被写体からの光を受光せずに基準信号を出力する非受光領域を有する撮像素子と、
   前記映像信号をアナログデジタル変換してデジタル映像信号を出力するアナログデジタル変換手段と、
   前記基準信号を積算平均するための積算開始点および積算数を指定する制御手段と、
   前記積算開始点および前記積算数に基づいて前記基準信号を積算平均して積算平均値を出力する演算処理部と、
   前記デジタル映像信号の基準レベルを前記積算平均値に基づいて設定する基準設定部とからなる撮像装置。
2. 被写体からの光を受光する撮像素子の受光領域より映像信号を出力し、
   被写体からの光を受光しない撮像素子の非受光領域より基準信号を出力し、
   前記映像信号をアナログデジタル変換してデジタル映像信号を出力し、
   前記基準信号を積算平均するための積算開始点および積算数を指定し、
   前記積算開始点および前記積算数に基づいて前記基準信号を積算平均して積算平均値を出力し、
   前記デジタル映像信号の基準レベルを前記積算平均値に基づいて設定することを特徴とする撮像装置の制御方法。
   
   

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